Сегодня предлагаю окунуться в более далёкое доисторическое прошлое нашей планеты, более чем на 2 млрд лет назад. Многие события и процессы в этот период до конца ещё не поняты, однако с каждым годом исследователи узнают всё больше подробностей об эволюции на более молодой Земле. В данном обзоре речь пойдёт о том, что помогло ранним организмам, таким как цианобактерии, выжить в более суровых условиях, связанных с высоким уровнем УФ-излучения без озонового слоя, а также насытить кислородом океаны миллиарды лет назад и создать условия для развития жизни, в том виде как мы можем её представить за последние миллионы лет. Что также может быть использовано и в качестве примера для лучшего понимания потенциала возникновения биосфер на поверхностях экзопланет, которые находятся под воздействием повышенного уровня УФ-излучения.
Солнечное ультрафиолетовое излучение является ключевым фактором, контролирующим обитаемость планетарных поверхностных сред и регулирующим ход эволюции жизни. До 2,4 млрд лет и развития защитного озонового слоя, поток УФ-излучения, в частности с длинами волн, соответствующими бактерицидному УФ-излучению, который достигал поверхности архейского океана, был на порядок выше, чем сегодня. В результате чего темпы повреждения ДНК, незащищенных организмов, могли бы ограничить размер и масштаб биосферы. Для того, чтобы выжить, фотосинтезирующим микроорганизмам, таким как цианобактерии, в процессе эволюции потребовались бы механизмы восстановления ДНК, либо белкового обмена, связанного с синтезом собственных белков и аминокислот путем заимствования компонентов из внешней среды, чтобы избежать ущерба, вызванного УФ-излучением, а также создать экологические механизмы, для защиты от вредного его воздействия. Кроме того, новый интерес к способности жизни переносить высокую радиационную среду был вызван недавними открытиями планет земной группы в обитаемых зонах ряда близлежащих красных карликов, таких как, к примеру, TRAPPIST-1 и Проксима Центавра. Они имеют существенно разные звездные спектры по сравнению с Солнцем, а планеты находятся гораздо ближе к своим звездам чем Земля, что, вероятно, приводит к значительно большим потокам ультрафиолетового излучения на поверхности этих экзопланет. Стоит упомянуть, что на 1 сентября 2018 г. учёными обнаружено уже 3823 экзопланеты.
Современные цианобактерии имеют механизмы противодействия повреждению ультрафиолетовым излучением, такие как восстановление ДНК, детоксицирующие ферменты, пигменты и солнцезащитные молекулы, поглощающие ультрафиолетовое излучение. Однако, эти системы могут быстро перегружаться под устойчиво высокими дозами УФ-излучения, а некоторые штаммы цианобактерий часто слишком малы для размещения достаточного количества солнцезащитных молекул для эффективной защиты. Для микроорганизмов, обитающих в колониях на грунте водоёма или в его толще, минерализованные покрытия и внеклеточные оболочки обеспечивают физическую защиту от УФ-излучения, многие из этих организмов способны мигрировать вниз в осадок или цианобактериальные маты и использовать воздействие УФ-излучения как экологический сигнал. А некоторые планктонные цианобактерии имеют способность регулировать глубину обитания при помощи газовых вакуолей или балластировки углерода. Так под воздействием высокого уровня УФ-излучения и при сильном подъёме глубинных вод океана к поверхности или сильном перемешивании верхних десятков метров водного столба, фотосинтезирующие бактерии вынуждены опускаться в более глубокие части океана, где достаточное количество солнечного света для фотосинтеза, а уровень излучения ниже.
В наши дни, поглощение УФ-излучения в океанах происходит благодаря оптическим и гидродинамическим свойствам воды, а также за счёт растворенного и взвешенного вещества в водном столбе. А в современных прибрежных водах гуминовые вещества растительного происхождения, или природные органические соединения, образованные путём разложения микроорганизмами растительных останков, а также окрашенные растворенные органические вещества или органические вещества в виде частиц, играют доминирующую роль в ослаблении УФ-излучения. В открытом океане УФ-излучение может проникать глубоко в смешанный слой водного столба до 26 м. Но глубину проникновения бактерицидного УФ-излучения в архее трудно спрогнозировать, потому как в современной экосистеме оно ослабляется ещё до достижения поверхности Земли. Однако отсутствие в архее гуминовых веществ растительного происхождения и защитного озонового слоя могло позволить высокоинтенсивному УФ-излучению, включая и бактерицидное УФ-излучение, достигать большей глубины в древнем водяном столбе.
Модель для самых чистых вод океанов современности показала, что во всём смешанном слое архейского океана излучение было достаточно высоким для разрушения ДНК, что могло служить значительным препятствием для размножения ранних цианобактерий, в отличие от современных их родственников. Хотя было высказано предположение о позднем происхождении цианобактерий, многочисленные данные свидетельствуют о том, что планктонные их популяции развивались и могли сохраняться в архее, минимум от 2.7 млрд лет назад, несмотря на высокое УФ-излучение.
Но какие факторы помогли цианобактериям выжить в столь суровых условиях и дать глобальную защиту всей планете?
Известно, что УФ-излучение эффективно поглощается растворёнными мелкодисперсными частицами железа, которые присутствовали в океанах того периода. В частности, оксид Fe (II), который в поверхностных водах окислялся до оксигидроксида железа (III, ферригидрита), при помощи аноксигенных фототрофных бактерий, которые осаждались на морском дне. Оксигидроксиды трехвалентного железа, образованные этими бактериями, могли обеспечивать защиту от УФ-излучения при свободном присоединении к клеточным поверхностям.
Кремнезем является еще одним важным компонентом морской среды архея. Растворенная двуокись кремния имеет высокую способность связываться с трехвалентным железом и легко адсорбируется на водных поверхностях оксидов железа в различных природных условиях.
С использованием современных геотермальных источников и экспериментальных моделей, исследователи предположили, что оксид железа и оксид кремния в корках над бактериями на дне водоёмов или в их прибрежной зоне, могли обеспечить эффективную защиту от ультрафиолетового излучения в архейских водах. Чтобы это проверить, исследователи моделировали древние условия морских вод архея, насыщенных оксигидроксидом железа и двуокисью кремния, с выращиванием хорошо изученных и полностью секвенированных одноклеточных цианобактерий (Synechococcus sp. штамма PCC 7002) под воздействием бактерицидного ультрафиолетового излучения.
В результате лабораторных экспериментов с бактериями в моделируемых, геохимических условиях морей архея, исследователи выяснили, что взвешенные в воде осадки оксигидроксида железа с кремнием, способны поглощать до 70% бактерицидного ультрафиолетового излучения. При этом сохраняя излучение необходимое для роста бактерий. Что позволяло выживать большому количеству бактерий, а вот бактерии без присутствия, своеобразного крема от загара выживали с большими потерями, но всё же выживали. Однако исследователи отмечают, что высокие коэффициенты смертности продолжали бы ограничивать расширение цианобактерий на большей части освещаемой солнцем верхней толщи архейских водных просторов.
Но несмотря на то, что оксигидроксиды железа с кремнием, сыграли важную роль в смягчении ультрафиолетового стресса у бактерий, проблема выживаемости всё же была актуальной до тех пор, пока уровня кислорода в атмосфере не хватило для создания защитного озонового слоя.
В итоге, представленные учёными результаты исследований подчеркивают важность условий окружающей среды на планете для возникновения и развития жизни.
Довольно впечатляет тот факт, что так много факторов должно было сложится в определённом порядке, чтобы огромное количество видов живых организмов включая и нас, могли жить на этой планете. Вникая в эти вопросы начинаешь ценить жизнь ещё больше, невзирая на материальные и социальные претензии к ней.
Видео создано на основе статьи:
UV radiation limited the expansion of cyanobacteria in early marine photic environments doi.org/10.1038/s41467-018-05520-x от 06 августа 2018 г.
Фрагменты видео любезно предоставлены: ESA/Hubble, ESO./L. Calçada/Nick Risinger (skysurvey.org), European Southern Observatory (ESO) и НАСА, Ming Tang / UMD